| 疊層型壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源研究
摘要：文章研究的壓電驅(qū)動(dòng)電源基于電壓控制型原理，主要由升壓調(diào)壓模塊、逆變調(diào)頻模塊和放電回路等幾個(gè)模塊組成。電源輸出頻率可調(diào)、峰值電1卡可調(diào)的方波，并針對(duì)容性負(fù)載設(shè)計(jì)了合理的放電回路，保證了壓電致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：壓電驅(qū)動(dòng)電源；升壓斬波電路：逆變調(diào)頻模塊；放電回路
O前言
根據(jù)原理的不同，壓電驅(qū)動(dòng)電源可分為電壓控制型和電荷控制型兩種。采用電壓控制的驅(qū)動(dòng)電源主要是指基于Dc—Dc變換器原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源，體積小、效率高，但電源輸出紋波較大，頻響范圍也較窄。本文旨在前人的壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源研究的基礎(chǔ)上，采用一種應(yīng)用較少的、原理列電路進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了基于Dc—Dc變換器原理的可行性及其優(yōu)缺點(diǎn)。
1壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源的特點(diǎn)
壓電致動(dòng)器相當(dāng)于一個(gè)電容器件，它的電容量通常很大，能達(dá)到十幾微法左右。為了使壓電致動(dòng)器反應(yīng)迅速，必須有一個(gè)很高的有效電荷轉(zhuǎn)移速率，同時(shí)要考慮的是，當(dāng)壓電致動(dòng)器承擔(dān)外
部機(jī)械負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電能。特別是在動(dòng)態(tài)工作時(shí)，以電容為代表的各參數(shù)隨致動(dòng)器工作而變化的特性以及頻率相關(guān)的一些特性決定了其驅(qū)動(dòng)電源具有以下特點(diǎn)：
(1)在實(shí)際應(yīng)用中，壓電陶瓷致動(dòng)器輸出位移應(yīng)是連續(xù)的，這就要求驅(qū)動(dòng)電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào)，對(duì)國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷微位移器而言，要求驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓為直流O～2()(]v連續(xù)可調(diào)：
(2)壓電陶瓷致動(dòng)器位移輸出對(duì)外加驅(qū)動(dòng)控制電壓的響應(yīng)速度，主要取決于驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流的大小，因此，驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力；
(3)為了適應(yīng)高頻響的要求，驅(qū)動(dòng)電源中應(yīng)有供容性負(fù)載快速放電的放電回路：
(4)由于壓電陶瓷微位移器主要應(yīng)用于微米納米技術(shù)領(lǐng)域，所以，驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，其輸出紋波電壓也應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi)。
圖1開(kāi)關(guān)式壓電驅(qū)動(dòng)電源
本文采用Dc／Dc變換的開(kāi)關(guān)電源的原理，采用開(kāi)環(huán)控制的方式，研制了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，低成本的電路。總體壓電驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
選用中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十六研究所生產(chǎn)的WTYI)0808045壓電陶瓷微位移致動(dòng)器，它具有高壓應(yīng)變常數(shù)的壓電陶瓷材料，經(jīng)疊層工藝制作的壓電疊層器件。在彈性限度內(nèi)，其形變與外加電場(chǎng)近似成線性關(guān)系，電場(chǎng)極性改變，形變性質(zhì)發(fā)生改變(伸長(zhǎng)或縮短)。一般可以認(rèn)為S=dF。
它具有低壓靈敏度高，滯后小，老化小等優(yōu)點(diǎn)。其外型尺寸為8×8×45mm，驅(qū)動(dòng)電壓O～200V，允許施加負(fù)電壓的********值為正常工作****電壓的40％。****輸出力為500N，電容5500nF。
在施加200~電壓的情況下，****位移量為45um。
選用EAST公司生產(chǎn)的WYK3003型高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流電源作為高電壓基礎(chǔ)電源，其輸出電壓為0～3【】(】V，輸出電流為O～3A。同時(shí)選用該公司的wYK3叭0型高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流電源作為低電
壓基礎(chǔ)電源，其輸出電壓為O～30~，輸出電流為O～10A。這兩種穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)為電源效應(yīng)：蘭5×10。+10mv，電流效應(yīng)：曼5×10。+15mv，紋波電壓：V p曼10mV。
升壓電路采用Boost原理將低壓直流電
壓(24v)轉(zhuǎn)化為高電壓(2(】(】v以上)，并且輸出電壓可以通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。
逆變電路用于將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚍讲妷海瞄_(kāi)關(guān)管元件實(shí)現(xiàn)斬波逆變變換。為了搭配實(shí)驗(yàn)研究，逆變后的方波頻率可以通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)。
放電回路是專門用于驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載所設(shè)計(jì)的，可以保證輸出電壓的波形，提高壓電致動(dòng)器的響應(yīng)速度，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2本文所用到的壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2 Boost電路分析
目前，在Dc／Dc電源升壓變換中使用一種稱為Boost的電路，該電路克服了傳統(tǒng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源能耗大、體積大的缺點(diǎn)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
該電路由開(kāi)關(guān)器件(v)、二極管(vD)、儲(chǔ)能電感(L)和濾波電容(c)組成。這里采用NMOs FB力場(chǎng)效應(yīng)管，MOsFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間在10～100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上舊：
Boost升壓電路可以工作在電流斷續(xù)工作模式(DcM)和電流連續(xù)工作模式㈣(ccM)。ccMⅢl_作模式適合大功率輸出電路，考慮到連續(xù)工作模式在紋波電流、峰值電感電流、峰值、開(kāi)關(guān)電流和****輸出功率上有優(yōu)勢(shì)，因此，按ccM工作模式來(lái)進(jìn)行特性分析。
本文基于PsPIcE軟件對(duì)Boost電路進(jìn)行了建模，模型如圖3所示。進(jìn)而對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，電路的仿真結(jié)果如圖8，圖5所示。圖4為Boost電路輸出電壓上升的過(guò)程；圖5為Boost電路升壓后電壓的紋波波形。從圖4中，可以觀察到，電壓的上升過(guò)程比較緩慢，大約經(jīng)過(guò)30ms才能穩(wěn)定在120~。左右；從圖9中，可以觀察到，升壓后的波形存在一定的紋波，紋波大小在32mv左右。
3放電回路研究
圖5輸出電壓的紋波波形
由于一般情況下驅(qū)動(dòng)電源是單向的，因此回收電能存在一定難度，因此通常設(shè)計(jì)放電回路使得電場(chǎng)能快速的得到釋放。
放電回路的電路圖如圖6所示。放電電路的工作原理：比較器LM324、開(kāi)關(guān)管M2、R1、R2、R4、R5和D4、D5一起構(gòu)成了快速放電回路。其中R1、R2、R4、R5是檢測(cè)電阻，它們應(yīng)滿足R1R2=R4R5，且阻值都很大，以至于壓電陶瓷致動(dòng)器對(duì)它們的放電可以忽略不計(jì)。LM324為比較器，當(dāng)電源電路的輸出電壓增加(相當(dāng)于給容性負(fù)載充電)時(shí)，LM324的兩輸入端有u一>u+，LM324輸出為負(fù)，開(kāi)關(guān)管M2截止，放電回路不起作用，對(duì)整個(gè)電路沒(méi)有任何影響。當(dāng)電源電路輸出電壓下降(相當(dāng)于給容性負(fù)載放電)時(shí)，LM324的兩輸入端有u+>u一，則LM324輸出為正，使開(kāi)關(guān)管M2導(dǎo)通，壓電陶瓷致動(dòng)器通過(guò)M2和R卜r夾速放電。
環(huán)境下搭建放電回路，如圖6所示。仿真中，由于壓電致動(dòng)器呈備性，故這里以電容作為它的近似模型，然后對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，電路的仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。圖7輸入電壓的方波波形(相當(dāng)于前面回路輸出的逆變后的方波)，方波峰值為150v，頻率為1 67KHz；圖8電
圖6放電I旦I路仿真電路
容兩端的電壓。
從圖8中，可以看出電容上的電壓在7lus的時(shí)間內(nèi)從高電平F降為O，說(shuō)明電容上的電荷篚夠得到快速的泄放。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崿F(xiàn)快速放電的功能，有利于壓電致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能的實(shí)現(xiàn)。
4總體電路實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證前面所設(shè)計(jì)的B00st升壓回路的性能，采用EAsT公司的wYK3010型高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流電源作為低壓基礎(chǔ)電源(輸出電壓為0～30v，輸出電流為0～10A)，搭配升壓電路、逆變電路和放電回路進(jìn)行壓電致動(dòng)器的動(dòng)實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)波形如圖所示，其中圖9為壓電致動(dòng)器泄放電荷所需的時(shí)間，為2【J(]us；圖10為B()(]st電路輸出的波形(上)與壓電致動(dòng)器兩端的電壓波形(下)。
通過(guò)與前面采用高壓電源進(jìn)行的充放電實(shí)驗(yàn)相比較，可以看出Boost電路搭配逆變調(diào)頻、放電回路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓電致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。
5結(jié)語(yǔ)
本文給出了壓電驅(qū)動(dòng)器電源電路設(shè)計(jì)方法，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器電源特眭進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。該電源經(jīng)過(guò)靜動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有良好的靜，動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證明該電源電路滿足壓電致動(dòng)器的一般要求，并為以后的進(jìn)一步研究打下一定的基礎(chǔ)。
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